南京長江隧道管片混凝土的微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及抗中性化性能.pdf

1、南京長江隧道是目前中國長江上長度最長、盾構(gòu)直徑最大、工程難度最高、挑戰(zhàn)性最多的公路隧道工程之一,而盾構(gòu)管片在整個隧道結(jié)構(gòu)中起承載和防水等重要作用,是影響其建設(shè)質(zhì)量和耐久性能的重要部分。隧道管片性能演化過程均與管片混凝土本身的微觀結(jié)構(gòu)變化及隧道自身的環(huán)境條件息息相關(guān)。因此,如何優(yōu)化具有特定養(yǎng)護(hù)和服役條件的管片混凝土微觀結(jié)構(gòu),提高其宏觀抗中性化水平的研究意義重大。
　　 全文緊緊圍繞隧道管片混凝土微觀結(jié)構(gòu)演化及抗中性化這一中心問題,

2、結(jié)合管片自身特點及其養(yǎng)護(hù)和服役條件,從微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的形成入手,分析了管片混凝土微觀結(jié)構(gòu)形成機理,提出了基于膠凝材料水化動力學(xué)方程的微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的演化方程;建立了考慮膠凝材料水化影響的管片混凝土濕含量非線性傳輸模型,采用Crank-Nicolson差分方法進(jìn)行了數(shù)值求解。在抗中性化方面,提出了考慮碳化反應(yīng)阻滯因子影響的基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的管片混凝土碳化模型,分別研究拉應(yīng)力水平及隧道復(fù)合酸性氣體對管片混凝土抗中性化的影

3、響規(guī)律及機理。重點研究了除CO2外的SO2及NO2氣體對混凝土的中性化侵蝕機理。基于以上研究對南京長江隧道管片混凝土的長期抗中性化性水平進(jìn)行了分析,總結(jié)提煉了適用于非侵蝕性水下公路隧道高耐久性管片混凝土的預(yù)測方法和制備要點。本論文所取得的主要研究結(jié)論和創(chuàng)新成果包括以下五個方面:
　　 (1)揭示了隧道管片混凝土微觀結(jié)構(gòu)特征的演化規(guī)律首先根據(jù)對管片混凝土的微觀特征研究,確定了50℃蒸養(yǎng)下管片混凝土的有效養(yǎng)護(hù)時間為10h～14h,完

4、成14h蒸養(yǎng)后的有效水養(yǎng)時間為7d～14d。通過試驗確定了滿足有效養(yǎng)護(hù)條件的管片混凝土膠凝材料的水化動力學(xué)方程,提出了管片混凝土微觀固相組成和毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)隨水化時間的演化方程。微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比分析,表明所建立的演化方程可以很好對管片混凝土微觀固相組成及毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析預(yù)測。
　　 然后,建立了考慮水化耗水、擴(kuò)散失水以及滲透作用的濕含量分布模型。通過計算和試驗兩種方式,得到了濕擴(kuò)散系數(shù)與濕含量之間

5、的關(guān)系,并進(jìn)一步考慮溫度和Knudsen擴(kuò)散的影響,確定了管片混凝土濕含量的有效擴(kuò)散系數(shù)。建立了非線性濕傳輸模型——Crank-Nicolso有限差分方程。對其中非線性濕擴(kuò)散系數(shù)Deff(w)進(jìn)行線性化處理。避免了繁瑣的迭代式求解,大大簡化了數(shù)值計算過程。濕含量的時空分布計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比表明,可以采用所建立的濕含量分布模型對管片混凝土內(nèi)部早期濕含量和后期濕含量的變化進(jìn)行較準(zhǔn)確的分析。
　　 (2)提出了考慮碳化反應(yīng)阻滯因

6、子影響的基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的碳化模型根據(jù)碳化反應(yīng)前后質(zhì)量守恒定律,確定了碳化反應(yīng)平衡常數(shù)對CO2擴(kuò)散系數(shù)的影響關(guān)系(1+K'CO2)。引入等效毛細(xì)孔隙率參數(shù),建立了基于毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括連通性、窄縮性、曲折率系數(shù))和濕含量參數(shù)的二氧化碳有效擴(kuò)散系數(shù)模型。采用有限差分的方法對管片混凝土CO2濃度的時空分布進(jìn)行數(shù)值計算,并結(jié)合所建立的混凝土孔隙溶液pH值的計算公式,確定了混凝土在不同碳化齡期的碳化程度?；炷良铀偬蓟囼灲Y(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果的

7、對比分析表明,所建立的基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的碳化模型可以很好對低水膠比混凝土的加速碳化深度進(jìn)行分析及預(yù)測。
　　 (3)揭示了隧道內(nèi)部酸性氣體對管片混凝土抗中性化的影響及機理根據(jù)對南京運行的公路隧道內(nèi)部二氧化碳?xì)怏w濃度的調(diào)查結(jié)果及所查閱的文獻(xiàn)數(shù)據(jù),預(yù)測了南京長江隧道運行后最惡劣的復(fù)合酸性氣體濃度為:[CO2]=760ppm、[SO2]=150ug/m3、[NO2]=2000 ug/m3;研究了管片混凝土在以上惡劣復(fù)合酸性氣氛條件下的

8、加速中性化過程和不同濃度條件下單一酸性氣體對混凝土的中性化速度。結(jié)果表明,復(fù)合酸性氣體作用下的管片混凝土在中性化齡期內(nèi)的平均中性化深度比單獨CO2作用后的碳化深度高9.6％～12%;在相同濃度條件下單一SO2氣體的侵蝕速度最慢,而單一NO2與CO2的中性化速度相差不大。這主要是因為SO2氣體在孔隙溶液中的溶解度最高。而NO2與CO2氣體的溶解度相當(dāng),并且要比SO2氣體的溶解度低3-4個水量級。通過XRD和TG-DSC及E-SEM進(jìn)一步分

9、析可知,SO2的中性化過程中形成了具有膨脹作用的CaSO4·H2O和CaSO4·xH2O晶體,阻礙了SO2的進(jìn)一步擴(kuò)散:NO2中性化產(chǎn)物為幾乎不具有膨脹作用的堿式硝酸鈣Ca(OH)2NO3·H2O,這進(jìn)一步解釋了這幾種酸性氣體中,SO2的中性化侵蝕速度比NO2的中性化侵蝕速度慢。
　　 (4)揭示了拉應(yīng)力水平對管片混凝土碳化速度的影響及機理通過拉應(yīng)力水平對材料層次和構(gòu)件層次管片混凝土的碳化速度的影響試驗,發(fā)現(xiàn)隨著拉應(yīng)力水平的增加

10、,材料層次和構(gòu)件層次的碳化速度均呈指數(shù)式升高的趨勢。拉應(yīng)力水平低于37.5%時,低水膠比混凝土梁和試塊的碳化加速系數(shù)隨拉應(yīng)力水平增加而增大速度較慢,隨著拉應(yīng)力水平的進(jìn)一步增加,碳化加速系數(shù)增大明顯加速。而且材料層次的碳化速度要明顯高于構(gòu)件層次的碳化速度,隨著拉應(yīng)力水平的增加,這種差距就越明顯。這說明配筋對混凝土碳化性能的影響非常明顯,因此采用混凝土試件的碳化性能來分析混凝土結(jié)構(gòu)碳化性能是可行的。
　　 (5)預(yù)測了南京長江隧道管